基于Mike Hydro Rive模型的海鸥围水网圩区排涝分析应用

金修鹏 广东珠荣工程设计有限公司

1.研究区域概况

海鸥围位于广州市番禺区石楼镇东部，总面积为34.45km2，围内地势平坦，地面高程在-1～5m之间（珠基，下同），内河涌总长约41.59km，现有外排水闸21座，总净宽约134m；泵站1座，流量为2.16m3/s，围内排涝安全管控水位为1.2m。海鸥围划分为3个排涝分区，如图1所示。水网圩区的排涝分析现多半已采用数学模型软件进行求解，Mike Hydro river是其中使用较多的一款软件，其应用范围除在防洪排涝领域，也广泛应用于水环境水生态方向。本文将基于最新的Mike Hydro river构建海鸥围片区的现状及规划排涝模型，评估现状是否能够满足排涝标准要求，并分析可能存在的具体原因，进一步规划出合理的排涝建设方案。

图1 海鸥围现状水系图

2.模型构建

2.1 基本原理

Mike Hydro Rive一维水动力模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，方程组的具体形式如下：

式中：x和t分别为空间和时间坐标；Q和h分别为断面流量和水位；A和R代表断面过流面积和水力半径；Bs为河宽；q为旁侧入流量；C为谢才系数；g为重力加速度；α为垂向速度分布系数。Mike Hydro Rive一维水动力模型采用Abbott-Lonescu六点隐式差分格式求解。

2.2 河网文件

通过现场实际测量获取海鸥围水系图后，一般需要根据研究目标对实际测量水系图进行等效概化，使得概化前后河网调蓄容积基本一致。海鸥围排涝片现状水工建筑物有21个水闸和1个泵站，其调度规则为：当内河涌水位大于外江水位时，开闸自排；当内河涌水位小于及等于外江潮位时，关闸防止外江潮水涌入。内河涌河口水位高于起泵水位时，开机抽排内河涌水量，内河涌河口水位低于停泵水位时，关机停止抽排。

2.3 断面文件

海鸥围内河涌断面测量平均间距约500m，河涌横断面明显变化处进行了局部测量。考虑到海鸥围排涝分区存在一定数量的池塘，本文将池塘调蓄容积考虑在附近河涌的断面库容中，可以体现出池塘对水量调蓄作用。

2.4 参数文件

参数文件主要是设置河床糙率和模型初始条件，根据现场调研确定河床糙率为0.028。目前，海鸥围河涌水位为考虑景观需求，常水位确定为0m，正常高水位0.5m，正常低水位-0.5m。排涝工况下可根据预报信息，在暴雨前夕将河涌水位预排至-1m附近，以增大河涌调蓄容积。因此，模型设置河涌的起调水位为-1m，起泵水位为0.5m，停泵水位为-1.5m。

2.5 边界文件

Mike Hydro Rive边界文件包括外边界和内边界，外边界一般指流量边界和水位边界，内边界指的是一些沿河长方向的侧向汇入。在海鸥围排涝分析中，流量边界是指排涝分区内20年一遇设计暴雨产生的流量过程线，水位边界指的是各内河涌河口处的典型潮位过程线。基于《广东省暴雨径流查算图表》得出设计标准的流量过程线。水量沿河长均匀入河；典型潮位过程线成果是根据研究区域附近的三沙口潮位站历史实测数据分析而来的，其高潮位接近多年平均最高潮位，低潮位接近汛期（5～9月）多年平均最低潮位。

3.模型成果分析

3.1 现状排涝模型-成果分析

在设计工况下，海鸥围现状排涝模型结果表明：内河涌河口最高水位分布在0.9m～2m，部分河涌河口最高排涝水位超过了最高控制水位1.2 m的要求，不能满足20 年一遇排涝要求，如图2所示。通过分析水闸及泵站的过流曲线，现状排涝模型中水工建筑物调度方式可以体现实际运行管理状况，模型构建是合理的。

图2 现状工况-最高水位分布图

根据现状模型成果，得出海鸥围排涝标准不达标的主要原因如下：①存在局部河段过窄。需要拓宽或清淤以满足过流能力需求。②下游河道抽排能力不足。海鸥围现状仅瑞盛涌河口有抽排泵站，规模为2.16m3/s，其余河涌以水闸进行自排。③存在多处断头涌。

3.2 规划排涝模型

3.2.1 方案思路

为满足海鸥围20年一遇排涝标准，从以下几个方面进行排涝方案的规划。首先是河涌整治工程，分析每条河涌的断面数据，如河宽、河底高程等，并结合断面上下游对比分析是否存在局部缩窄断面及逆坡河段，重点考虑该局部河段的拓宽及清淤；其次是水系连通工程，分析对水网圩区而言，存在哪些关键性断头涌，将该断头涌与邻近干支流连通起来，以此增强区域的水动力条件；最后是泵站规划工程，该阶段是以各内河涌河口为研究对象，分析河口处外排能力如何，海鸥围片区每天约有1/5的时间外江潮位高过排涝控制水位，自排能力受限，可通过泵站抽排将多余水量排入外江。

根据以上规划分析思路，对海鸥围进行了排涝规划。主要工程措施有：对瑞盛涌进行了河道整治，拓宽了瑞盛涌局部河段；将深沙涌与黄泥沥连通，将江兴涌、江鸥上涌、江鸥下涌及江鸥尾涌向西延长至与江鸥沥连通，利用现状渠道和鱼塘将东开坊涌向两侧延长，分别与黄泥沥、沙头涌连通；规划新建泵站工程。

3.2.2 成果分析

海鸥围规划排涝模型运行结果表明，通过实施上述规划工程措施后，内河涌河口最高运行水位分布在0.9m～1.1m，低于最高控制水位1.2m的要求，满足20年一遇排涝要求，可知规划的工程措施是合理的，泵站参数选取较为合适，如图3所示。通过分析规划措施前后整个内河涌水系的流动性，发现规划后断头涌附近水体的流动性明显改善，增强了断头涌的水动力，提高了局部排涝能力，这也有利于改善断头涌的水生态及水环境。

图3 规划工况-最高水位分布图

4.结论

（1）基于Mike Hydro Rive建立了海鸥围现状及规划排涝模型。现状排涝模型指出了当前海鸥围不能满足20年一遇的排涝要求，并指明主要原因有存在断头涌、下游抽排能力不足、河道过流能力不足等；以此为切入点，进一步提出解决方案，同时通过规划排涝模型验证了提出的方案措施，结果表明通过水系连通、新建泵站等工程措施可有效降低设计标准下海鸥围内河涌河口最高水位，使之满足内河涌水位管控水1.2m的要求。

（2）本次基于Mike Hydro Rive模型建立的水网圩区排涝分析，可为类似排涝工程分析提供方法工具和分析思路。如针对城区等更为复杂的排涝分析，可结合管网模型及二维地表模型进行耦合模拟，并考虑海绵工程措施，在源头上就进行雨水的消纳。